掘进机运行状态智能监控系统的研究

张宏建

（晋能控股煤业集团浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西 朔州 036000）

引言

掘进机是一种集机、电、液于一体的大型巷道掘进设备，其运行时的稳定性和可靠性直接决定了煤矿井下巷道掘进效率和安全性。由于井下地质环境恶劣，掘进机在工作时需要承受长时间的振动、粉尘影响，因此极易出现故障，影响井下巷道掘进效率。目前掘进机上没有完善的运行状态监测系统，无法提前对运行异常进行自动判断，而出现故障后需要人工根据经验进行排查，效率低、安全性差，无法满足井下高效掘进的需求。

本文在对掘进机运行工作流程进行分析的基础上，确定了影响运行状态的最关键参数，建立了一套掘进机运行状态智能监控体系，实现了对掘进机运行过程的全面监测，当出现数据异常上自动进行报警，当出现突发故障时系统能够自动对故障进行定位和原因分析，为故障排查提供依据。根据实际应用表明，新的掘进机运行状态监测体系投入运行后，将掘进机故障率降低了72.4%，将故障排除时间降低了84.6%，显著提升了掘进机的运行稳定性和可靠性，对提升巷道掘进效率具有十分重要的意义。

1 掘进机机电控制结构

掘进机是一种以电、液控制为核心，来驱动机械部分进行运转的设备，因此掘进机的电液系统的故障率高、可靠性较差，该智能监控系统主要的监测核心是对电机控制部分和液压系统的监控。

掘进机的电机控制部分监测主要是对电机的运行电流、电压、电机温度的监控，系统通过传感器对各电机的运行信号进行采集后，将其传输到控制中心对数据进行分析，然后利用中间继电器实现对各设备运行情况的控制，满足掘进机的工作需求。各个控制电机的保护信号主要以模拟信号的方式进行输入，若电机出现故障后，模拟量信号及时将数据信息传输给机电控制装置，根据模拟量数据信息，对电机的故障原因进行初步的分析，并发出保护信号，切断电源，实现对电机的有效保护。电机的运行状态监测模块如图1所示[1]。

图1 掘进机机电系统控制结构

由图1可知，在该系统中，为了避免异常状态下过大的电流对中央控制系统的损坏，在电流监测模块和中央控制系统之间设置了隔爆型断路器和接触器，各类信号均通过断路器进行传递和控制，满足精确控制需求。

掘进机在运行过程中各类动作的执行，主要是通过电控系统给电磁换向阀施加控制信号，控制换向阀的通断和开合时间，进而实现对掘进机各类液压缸的控制，满足摇臂升降、锚杆支撑、铲板动作等。其执行情况和液压系统的工作压力、流量等直接相关，因此对液压回路的监测需要在每个液压阀前增加一个堵漏的液压监测回路，满足在工作过程中全面监控的需求，掘进机液压系统控制结构如上页图1-2所示[2]。

2 掘进机机电监控原理

掘进机工作时各类电机需连续运行且电流和电压控制信号变化较弱，井下截割环境复杂极易产生波动，导致监测结果失效，影响实际的监控准确性。同时井下温度低、风量大，对电机运行时的温度监测也极易出现失真情况，因此为了提升掘进机机电监测的准确性，本文提出了一种新的掘进机机电信号监测和温度监测方案[3]。

在对电机的工作电流进行监测时，可以采用互感器转换法[4]，将电机上的强电流转换为能够被控制器采集到的敏感电流，确保信号采集的精确性，电流互感器安装结构如图2-1所示[5]，位于电机接触器的下侧，能够快速监测驱动电机的工作电流变化情况。当系统电路出现故障后会导致流经电机的电流发生异常，系统监测到电流异常后自动进行分析并控制继电器动作，对电机进行保护。

掘进机执行电机在工作时最常见的故障是因负载分布不均匀导致的电机长时间在高负荷下工作，导致温度升高电机烧毁。因此在电机内设置了以铂电阻[6]为核心的温度监测装置，分别是在电机内的3个绕组处和电机的轴承座内，当温度低于电机正常运行极限温度（120℃）时系统稳定运行，当温度升高超过120℃时自动进行报警并切断电机的电液，确保电机的安全，该温度监测原理如图2-2所示。

图2 掘进机机电监测原理

3 监控系统控制逻辑

掘进机的运行状态是机电液共同作用下的结果，因此对掘进机运行状态的监测是一个复杂的过程，通过对掘进机运行逻辑的分析，结合监测可行性，本文所提出的掘进机运行状态监控逻辑如图3所示[7]。

由图3可知，系统在开始运行后，首先进行系统自检，确认系统稳定后对液压泵站内油温和液位情况进行检查，若不存在异常则异常对各驱动电机的运行状态进行检查和启动，然后开始执行故障诊断逻辑，依靠各类传感器对运行过程中的监测数据进行监控和分析，当出现数据异常并持续时间超过系统设定值后便开始进行故障报警和定位，帮助维修人员进行快速确定。

图3 掘进机运行状态监控逻辑示意图

该系统自投入应用以来，对3个月内掘进机的运行状态进行持续监测，根据统计结果表明，掘进机的评估故障次数由最初的17.6次/月降低到了目前的4.86次/月，平均故障率降低了72.4%。处理故障的平均时间由最初的10.7 min降低到了目前的1.65 min，将故障排除时间降低84.6%，显著提升掘进运行的稳定性和可靠性。

4 结论

针对掘进机运行故障监测缺失，不具备故障提前预警功能，当出现故障后排除效率低的缺陷，提出了一种新的掘进机运行状态智能监控系统，对监测原理等进行了分析，根据应用结果表明：

1）该智能监控系统主要的监测核心是对电机控制部分和液压系统的监控；

2）采用互感器转换法能够精确监测到电机电流的变化情况，采用铂电阻温度监测法能够有效监测电机运行温度的变化情况；

3）根据实际应用表明新的掘进机运行状态智能监控系统能够将掘进机故障率降低72.4%，将故障排除时间降低84.6%，显著提升掘进运行的稳定性和可靠性。